引入靶區(qū)外擴(kuò)預(yù)測放射治療中危及器官自動分割的平均劑量偏差

許六軍，張玉潔，張建英

(復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院放療科，上海 200032)

放射治療(放療)應(yīng)在使靶區(qū)達(dá)到處方劑量的同時保證危及器官(organ at risk, OAR)受照劑量在安全范圍內(nèi)[1]，分割OAR是其中的重要環(huán)節(jié)[2]。傳統(tǒng)方法采用人工完成分割，操作耗時，且具有操作者主觀依賴性。近年來，自動分割OAR技術(shù)快速發(fā)展，現(xiàn)已開發(fā)出許多自動分割算法和自動分割模型[3-5]，如何評估其可否用于臨床成為亟待解決的問題[6-7]。幾何學(xué)參數(shù)是評估自動分割效果的常用指標(biāo)，可有效評估分割圖像的幾何特征[7]；劑量學(xué)評估則可有效預(yù)測治療腫瘤效果及OAR毒副作用[8]；前者無須考慮劑量分布，方便高效，后者對臨床更有參考價值，但耗時長[9]。計劃靶區(qū)體積(planning target volume, PTV)是放療劑量分布的基礎(chǔ)。有學(xué)者[10]提出將PTV位置引入幾何參數(shù)，可在無劑量分布數(shù)據(jù)的情況下評估劑量最大值。本研究觀察引入靶區(qū)外擴(kuò)預(yù)測自動分割OAR產(chǎn)生的平均劑量偏差的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 隨機(jī)選取2019年5月—2021年10月100例于復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院接受放療(醫(yī)科達(dá)直線加速器VersaHD)的直腸癌患者，男66例、女34例，年齡29～83歲、平均(59.6±11.0)歲；均具有完整的CT、PTV及OAR、放療計劃和劑量分布等資料；排除采集放療影像時條件或分辨率、計算網(wǎng)格等達(dá)不到本研究標(biāo)準(zhǔn)者。治療前患者或家屬簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

1.2.1 分割組織和放療計劃 利用Siemens Healthcare大孔徑CT儀獲取層厚3 mm、分辨率0.977 mm×0.977 mm的定位圖像，導(dǎo)入Monaco計劃系統(tǒng)，手動分割靶區(qū)和組織，并設(shè)計放療計劃。由主治醫(yī)師手動分割PTV，經(jīng)副主任或主任醫(yī)師審核；由2名工作7年以上的主管技師手動分割膀胱、小腸和雙側(cè)股骨頭共4個OAR。之后采用AccuContour軟件進(jìn)行自動分割，以模型微調(diào)功能獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的OAR分割模型，分割膀胱、小腸和雙側(cè)股骨頭。采用Monaco計劃系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，計算網(wǎng)格為2 mm×2 mm×2 mm。最后將PTV均勻外擴(kuò)，外擴(kuò)距離分別為5、10、20、30及50 mm。

1.2.2 劑量重采樣和結(jié)構(gòu)預(yù)處理 將CT圖像、分割結(jié)構(gòu)和劑量分布以DICOM格式導(dǎo)入Python程序。CT網(wǎng)格為0.977 mm×0.977 mm×3 mm，劑量網(wǎng)格為2 mm×2 mm×2 mm；以CT網(wǎng)格為基礎(chǔ)，采用線性插值對劑量進(jìn)行重采樣。

于DICOM格式下，以輪廓點的三維坐標(biāo)存儲ROI。基于CT網(wǎng)格判斷每個網(wǎng)格點是否在ROI輪廓內(nèi)，得到該ROI的掩膜；所用掩膜包括PTV、OAR及PTV外擴(kuò)環(huán)與OAR的重疊部分(記為PTV_ring ∩ OAR Mask)。如PTV外擴(kuò)10～20 mm的環(huán)與膀胱重疊，則記為PTV_ring_10～20 mm ∩ Bladder Mask，其獲得方式如下：①使用PTV輪廓(紅線)得到PTV Mask(淺紅色填充)，見圖1A；②以膀胱輪廓(藍(lán)線)得到Bladder Mask(淺藍(lán)色填充)，見圖1B；③分別得到PTV外擴(kuò)10 mm和20 mm的輪廓(綠線)，以在PTV 20 mm 掩膜中、但不在PTV 10 mm 掩膜中的區(qū)域為PTV外擴(kuò)10～20 mm環(huán)的掩膜，記為PTV_ring_10～20 mm Mask(淺綠色填充)，見圖1C；④PTV外擴(kuò)10～20 mm環(huán)與膀胱重疊區(qū)域的掩膜為同時在PTV_ring_10～20 mm Mask和Bladder Mask中的區(qū)域，記為PTV_ring_10～20 mm ∩ Bladder Mask(淺橙色填充)，見圖1D。

圖1 基于膀胱癌患者盆腹部軸位CT圖中的PTV(A)、膀胱(B)、PTV外擴(kuò)10～20 mm環(huán)(C)和重疊區(qū)域(D)的掩膜

1.2.3 OAR的分段平均劑量 對于1個OAR，以CT網(wǎng)格分割后，其結(jié)構(gòu)包含N個點，分別記為i1，i2，…，iN，則該OAR的平均劑量為：

(1)

其中di為點i的劑量。利用OAR中每個點與PTV的距離將其分為7段，與PTV的距離分別為<0、[0，5)、[6，10)、[10，20)、[20，30)、[30，50]及>50 mm，分別計算上述7段OAR的劑量平均值。

1.2.4 基于靶區(qū)外擴(kuò)預(yù)測劑量差異 根據(jù)公式(2)計算手動分割與自動分割OAR的平均劑量差異：

ΔDmean=Dmean(manual)-Dmean(auto)

(2)

將OAR分為上述7段，則該公式可簡化為7段求和，平均劑量偏差為上述7段劑量偏差的統(tǒng)計值。見公式(3)：

ΔDmean=Dmean(manual)-Dmean(auto)

(3)

其中Di為i段的平均劑量，Ni為i段的網(wǎng)格點數(shù)目。

1.3 數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計學(xué)分析 于100例中隨機(jī)選取30例作為訓(xùn)練集，統(tǒng)計7段對應(yīng)的劑量平均值Di；以其余70例為測試集，代入每段的Di，得到預(yù)測的手動和自動分割平均劑量差異；計算預(yù)測與實際平均劑量的差異，平均劑量差異即該OAR手動分割平均劑量與自動分割平均劑量之間的差值。

對上述100例進(jìn)行重新分組，隨機(jī)選擇50例統(tǒng)計7段Di，并預(yù)測其余50例的預(yù)測平均劑量與實際平均劑量差異，以驗證統(tǒng)計病例選擇是否影響研究結(jié)果。

采用Origin2020軟件繪制散點圖，以Python編程計算一致性相關(guān)系數(shù)(concordance correlation coefficient, CCC)，以CCC>0.9為一致性好。對預(yù)測與實際平均劑量的差異進(jìn)行直方圖統(tǒng)計。

2 結(jié)果

2.1 OAR的分段平均劑量 30例直腸癌的7段平均劑量見表1。其中的劑量為每個OAR每段距離的代表劑量，如對于膀胱中距離PTV>50 mm的區(qū)域，認(rèn)為每個網(wǎng)格點的劑量均為14.39 Gy；將代表劑量用于后續(xù)預(yù)測平均劑量。

表1 訓(xùn)練集30例直腸癌患者不同部位與PTV不同距離的7段平均劑量(Gy)

2.2 平均劑量差異 測試集70例中，對于膀胱，69例預(yù)測與實際平均劑量差異<0.5 Gy，1例差異為1.3 Gy；對于小腸，69例劑量差異均<3 Gy，1例為3.1 Gy；對于雙側(cè)股骨頭，所有70例預(yù)測與實際平均劑量差異均<0.5 Gy。對膀胱、小腸和左、右側(cè)股骨頭，預(yù)測與實際平均劑量差異的CCC分別為0.96、0.86、0.81和0.69。見圖2。

圖2 針對測試集70例預(yù)測與實際平均劑量的散點圖(上圖)及差異直方圖(下圖) A～D.膀胱、小腸，左、右側(cè)股骨頭 (紅線對應(yīng)差異為0，藍(lán)線內(nèi)區(qū)域?qū)?yīng)絕大部分病例所在區(qū)間)

針對50例測試集再次進(jìn)行預(yù)測，46例膀胱預(yù)測與實際平均劑量的差異均<0.5 Gy，4例差異分別為0.58、0.57、0.74、0.93 Gy，49例小腸預(yù)測與實際平均劑量的差異均<3 Gy，1例差異為13.60 Gy；對于雙側(cè)股骨頭，所有病例預(yù)測與實際平均劑量差異均<0.5 Gy。對于膀胱、小腸和左、右側(cè)股骨頭，預(yù)測與實際平均劑量差異的CCC分別為0.97，0.90，0.82和0.78。

3 討論

自動分割是近年的熱門研究領(lǐng)域[11]。既往評估自動分割效果多注重于幾何學(xué)指標(biāo)，而劑量學(xué)指標(biāo)才是與放療效果及毒副反應(yīng)密切關(guān)聯(lián)的因素[7]。近年來，越來越多的研究者開始關(guān)注自動分割的劑量學(xué)評估[12-14]。直接劑量學(xué)評估需要放療計劃，效率相對較低。幾何學(xué)和劑量學(xué)評估各有其優(yōu)勢，將兩者結(jié)合可實現(xiàn)高效評估自動分割，更加貼近臨床需求。將PTV位置引入自動分割的幾何評估，在一定程度上也是將劑量分布信息引入幾何評估。

本研究選擇100例直腸癌患者，采用自動分割的OAR并加以優(yōu)化，以制定訓(xùn)練集放療計劃，真實反映了自動分割在臨床應(yīng)用中可能產(chǎn)生的劑量差異[15-16]；通過引入PTV與OAR的相對位置關(guān)系并設(shè)計幾何指標(biāo)，觀察OAR手動與自動分割的平均劑量差異。本研究結(jié)果表明，對于70例測試集，雙側(cè)股骨頭預(yù)測平均劑量與實際平均劑量差異均<0.5 Gy，69例膀胱的差異均<0.5 Gy，69例小腸的差異<3 Gy；而在50例測試集亦獲得近似結(jié)果，表明靶區(qū)外擴(kuò)能對大多數(shù)直腸癌病例較好地預(yù)測OAR自動分割用于臨床時可能引起的平均劑量偏差。

本研究4種OAR中，小腸的結(jié)果相對較差，特別是在50例測試集中，1例小腸的預(yù)測平均劑量與實際平均劑量差異為13.60 Gy，可能原因在于自動分割小腸相對困難，分割效果較差，且影響因素較多而復(fù)雜；而本研究方法可能更適用于自動分割效果較好的OAR。

綜上所述，引入靶區(qū)外擴(kuò)可有效預(yù)測直腸癌放療中自動分割OAR產(chǎn)生的劑量偏差。